2聲參量陣測試系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　本文設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2所示，主要包括PC機(jī)(LabVIEW信號處理平臺)、功率放大電路、換能器發(fā)射及接收陣、信號接收電路及數(shù)據(jù)采集卡等結(jié)構(gòu)。其中，PC機(jī)主要是通過LabVIEW軟件完成對初始信號和高頻載波的產(chǎn)生、信號失真預(yù)處理和接收信號的后續(xù)處理(包括信號的實時顯示、頻譜分析等)；換能器發(fā)射和接收陣分別實現(xiàn)載波調(diào)制信號的發(fā)射和回波信號的接收；功率放大電路用來提高載波調(diào)制信號的發(fā)射功率；而信號接收電路則是對傳聲器接收到的回波信號進(jìn)行處理，包括前端放大、帶通濾波及末級放大等幾個處理環(huán)節(jié)。

　　2．1信號處理

　　信號處理是本系統(tǒng)中關(guān)鍵部分之一，主要完成輸入信號的失真預(yù)處理和超聲載波的振幅調(diào)制。信號處理部分的基本理論是。Berktay遠(yuǎn)場解決方案。

　　2．1．1失真預(yù)處理

　　失真預(yù)處理的目的是增強(qiáng)信號的強(qiáng)度，減少失真，增強(qiáng)低頻等。1965年，Berktay使用調(diào)制中包絡(luò)的概念為參量陣提出了一個更精確完整的解釋，認(rèn)為最終的解調(diào)信號將由這個包絡(luò)決定，即參量陣解調(diào)后的信號P2(t)與包絡(luò)E(t)平方對時間的兩次微分成正比。根據(jù)Berktay遠(yuǎn)場解決方案，現(xiàn)有的預(yù)處理方法主要有三種：

　　第一種也是最初的預(yù)處理方法，假設(shè)包絡(luò)為E(t)=1+mg(t)，其中m為調(diào)制因數(shù)，g(t)為音頻信號。則有：

　　根據(jù)式(1)可以看到：在非線性作用下，信號的自解調(diào)能夠?qū)⒄扔诎j(luò)信號E(t)的調(diào)制信號Ps(t)解調(diào)出來；但自解調(diào)過程中會伴隨二次諧波失真信號Pd(t)的產(chǎn)生。

　　細(xì)觀式(1)可得，失真信號Pd(t)與m2成正比，即減小m就可以減少失真，但解調(diào)出來的信號Ps(t)也隨之減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率降低。因此就有了第二種預(yù)處理方法，對包絡(luò)先積分兩次，然后再開方，即：

　　很顯然，單邊帶預(yù)處理方法對應(yīng)產(chǎn)生純音頻信號時沒有失真，即沒有其他頻率成分產(chǎn)生。

　　2．1．2載波調(diào)制

　　載波調(diào)制的作用是將預(yù)處理過的信號與超聲載波信號進(jìn)行振幅調(diào)制，生成超聲載波調(diào)制信號。載波調(diào)制可分為雙邊帶(DoubleSideband，DSB)調(diào)制和單邊帶(SingleSideband，SSB)調(diào)制等。在DSB調(diào)制中，輸出信號的頻譜由位于載頻左右兩側(cè)的上下邊帶組成，而且信號的上、下邊帶攜帶的調(diào)制信號信息完全一樣；SSB調(diào)制就是選擇DSB調(diào)制中一個邊帶進(jìn)行傳輸，從而節(jié)省一半的發(fā)射功率。假設(shè)載波頻率為85kHz，音頻信號頻率為5kHz，則DSB和SSB調(diào)制示意圖如圖3所示。

　　輸入信號通過運(yùn)放PA85后，功率得到提高，但輸出的電流較小。為了得到較高的輸出電流，在PA85的輸出端接人由Q1，Q2，Q3和Q4組成的互補(bǔ)對稱式放大器，提升運(yùn)放PA85的輸出電流。另外，二極管D1和D2構(gòu)成的保護(hù)電路，不但能限制PA85輸入差分電壓低于輸入晶體管基極一發(fā)射極的反向擊穿電壓，而且還能起到限制輸入瞬時電流的作用。